Issuu on Google+

СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ 7’2013

7(99)2013

СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ

АНАЛИТИКА

ТЕЛЕСКОПИЧЕСКИЕ ПОГРУЗЧИКИ

ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ДОМ «СТТ»

ТЕХНИКА/КРУГЛЫЙ СТОЛ

ШАРНИРНОСОЧЛЕНЕННЫЕ САМОСВАЛЫ ТЕХНОЛОГИИ

ТЕХНИКА

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

òàçõ ë êÄÑàÄãúçõå ëíêéÖçàÖå äÄêäÄëÄ

íÖïçàäÄ ëëëê èêéÑéãÜÄÖí êÄÅéíÄíú

ÇàçíéÇõÖ çÄëéëõ

18+


НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА ТЕХНИКА ТЕХНОЛОГИИ

РОТОРНО-ВИНТОВЫЕ НАСОСЫ

ОБУЧЕНИЕ ИСТОРИЯ

Корнюшенко С.И., доктор наук, профессор РАЕН

Ç

На графике на рис. 2 показана идесе насосы в гидросистемах машин работают по одному прин- альная характеристика любого объемноципу. При каждом обороте вход- го насоса. При изменении давления веного вала качающий узел вы- личина расхода не меняется. Однако в тесняет в гидросистему определенный реальной действительности рост давлеобъем рабочей жидкости. (Поэтому гид- ния оказывает влияние на расход рабороприводы называются объемными, в чей жидкости. Он несколько снижает отличие от гидродинамических транс- расход. Принцип действия роторно-винтовых форматоров и гидромуфт, которые передают энергию за счет скорости потока насосов заключается в перемещении рабочей жидкости.) Но качающие узлы в объемных насосах различные. На схеме >>> на рис. 1 представлена классификация Рис. 2. Идеальная характеристика насоса семейства гидравлических объемных насосов, нашедших широкое применение в гидроприводах мобильных машин и производственного технологического оборудования. Шестеренные, пластинчатые, поршневые насосы были рассмотрены в предыдущих статьях рубрики «Обучение». В данной публикации остановимся на принципах работы и конструкции роторно-винтовых насосов. При работе любого насоса в стабильном (статическом) режиме его расход определяется по следующей простой формуле:

ROTARY-SCREW PUMPS Kornyushenko S.I., Dr. of science, RANS professor

In the article is given a classification of main pumps of a volumetric drive. Base regulations for a choice of volumetric pumps are cited. A principle of performance is exposed and typical structures of rotary-screw pumps and their pumping units are shown. Their advantages and defects as compared with analogues are marked.

объема рабочей жидкости винтовой парой. На рис. 3 показана принципиальная схема роторно-винтового насоса.

>>> Рис. 3. Принципиальная схема роторно-винтового насоса

>>> Рис. 1.Классификация гидравлических насосов

ИНТЕРВЬЮ

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

72

Напомним, что: · расход насоса измеряется величиной «литр в минуту» – л/мин, или, более правильно, «кубический дециметр в минуту» – дм3/мин; · рабочий объём насоса измеряется величиной см3 за один оборот приводного вала – см3/об или см3; · 1 см3 = 1 мл; · формула пересчёта: 1000 мл = 1 литр = 1 дм3.

СТТ 7’2013


а) двухроторный качающий узел

б) трёхроторный качающий узел

>>> Рис. 5. Качающие узлы роторно-винтовых насосов В двухроторных насосах первичный двигатель вращает ведущий осевой ротор. Благодаря зацеплению винтовой пары он приводит во вращение ведомый ротор. В трехили пятироторных насосах центральный ведущий винтовой ротор передает вращение непосредственно другим (ведомым). В машиностроительной гидравлике чаще применяются трехроторные насосы.

НОВОСТИ/СОБЫТИЯ ТЕХНОЛОГИИ

ТЕХНИКА СТТ 7’2013

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

- совместимость с большинством гидравлических жидкостей; - высокая долговечность; - невысокая цена. Некоторые из этих показателей, с одной стороны, выражают преимущества роторно-винтовых типов насосов, с другой – отражают ряд недостатков, ограничивая область их применения. Например, большой расход резко падает при повышении давления, даже если оно не достигло высокого уровня. Это сравнимо только с характеристиками шестеренных насосов. В некотором отношении роторно-винтовые насосы лучше, чем шестеренные с внешним зацеплением. Пульсация подачи рабочей жидкости у роторно-винтовых насосов практически отсутствует, следовательно, генерируется очень маленький шум и наблюдаются небольшие вибрации. Поэтому они часто используются в медицинской технике, гидромеханизмах театров и концертных залов. Роторно-винтовые насосы совместимы с обычными и вязкими рабочими жидкостями. Они долговечнее шестеренных аналогов и более производительны при средних давлениях. С другой стороны, шестеренные насосы с внешним зацеплением более компактны и механически совместимы друг с другом. Они могут соединяться между собой на одной оси, образуя многопоточный насосный агрегат. При этом секции (качающие узлы) часто имеют различные величины рабочих объемов. Шестеренные насосы часто устанавливаются и на аксиальнопоршневые с наклонной шайбой, образуя дополнительные качающие секции. Шестеренные насосы производятся многими компаниями в различных исполнениях широкими типоразмерными рядами. С точки зрения экономики, хотя их цены не чрезмерно высокие, роторно-винтовые насосы более дорогие по сравнению с шестеренными аналогами.

ИНТЕРВЬЮ

Качающие узлы подобных насосов выпускаются в различных версиях. Они содержат, как было указано ранее, два, три или пять винтовых роторов. На рис. 5 показаны двух- и трехроторные качающие узлы.

Характерный профиль ведомых винтов противоположен профилю ведущего винта. Он является ответным контуром по аналогии с вращающейся парой зуб-впадина шестеренных насосов. Так же как и в шестеренных насосах, перемещение рабочей жидкости осуществляется за счет ее вытеснения при вращении винтовой (по аналогии с зубчатой) пары. За счет быстрого вращения роторно-винтовой пары во входном порту создается разряжение жидкости (вакуум), которое помогает ей поступать в качающий узел. Рабочая жидкость при движении заполняет зазоры между винтовыми роторами и корпусом насоса. Находясь под давлением, она компенсирует радиальные силы, осуществляя балансировку роторов. Смазочные свойства гидравлической жидкости снижают трение между роторами. Очень точное исполнение характерных профилей роторов предотвращает вытеснение жидкости в их зацеплении и обеспечивает высокую степень постоянства потока среди объемных насосов. Слабая пульсация потока фактически происходит в результате сжимаемости жидкости на выходе насоса. Отличительные особенности роторно-винтовых насосов таковы: - доступная технология изготовления; - постоянный рабочий объем; - рабочее давление – до 12,0 МПа, пиковое давление – до 20,0 МПа; - частота вращения приводного вала – до 5000 об/мин; - очень низкий уровень шума; - небольшие вибрации; - широкий диапазон вязкости рабочей жидкости; - практическое отсутствие пульсации; - относительно высокий расход рабочей жидкости; - давление всасывания – до 0,09 МПа; - общий КПД – около 75% при оптимальных условиях работы;

ОБУЧЕНИЕ

>>> Рис. 4. Конструкция роторно-винтового насоса

>>> Рис. 6. Различные конструкции роторно-винтовых насосов

ИСТОРИЯ

Роторно-винтовые насосы имеют в корпусе два, три или пять вращающихся роторов с винтовой нарезкой. Ротор с правой резьбой, соединенный с приводным двигателем, передает вращение на другие роторы, имеющие левую резьбу. При этом между винтовыми поверхностями роторов образуется замкнутый промежуток, который заполнен определенным объемом рабочей жидкости. При вращении он перемещается без изменения своей величины от всасывающего порта к напорному. Таким образом обеспечивается равномерная, почти без пульсаций подача насоса и, следовательно, его малошумная работа. На рис. 4 показана типовая конструкция роторно-винтового насоса, качающий узел которого состоит из трех винтовых роторов. В корпусе этого насоса также размещен предохранительный клапан.

АНАЛИТИКА

73


НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА

86

>>> Базовые методы управления гидроприводов 1. ç‡ÒÓÒ˚ ÏÓ·ËθÌÓÈ ÚÂıÌËÍË 2. ê„ÛÎflÚÓ˚ ̇ÒÓÒÓ‚ Ò ÔÂÂÏÂÌÌ˚Ï ‡·Ó˜ËÏ Ó·˙Â-

ТЕХНИКА

ÏÓÏ 3. ëËÒÚÂχ LS „ÛÎËÛÂÏ˚ı ̇ÒÓÒÓ‚ 4. ìÔ‡‚ÎÂÌË ‡·Ó˜ËÏË Ó„‡Ì‡ÏË Ï‡¯ËÌ. ó‡ÒÚ¸ 1

ТЕХНОЛОГИИ

5. ìÔ‡‚ÎÂÌË ‡·Ó˜ËÏË Ó„‡Ì‡ÏË Ï‡¯ËÌ. ó‡ÒÚ¸ 2 6. ÉˉÓÒÚ‡Ú˘ÂÒÍË Ú‡ÌÒÏËÒÒËË Ò‡ÏÓıÓ‰ÌÓÈ ÚÂıÌËÍË

8. íÓÏÓÁÌ˚ „ˉÓÒËÒÚÂÏ˚

ИСТОРИЯ

ОБУЧЕНИЕ

ИНТЕРВЬЮ

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

7. ëËÒÚÂÏ˚ ÛÎÂ‚Ó„Ó ÛÔ‡‚ÎÂÌËfl

СТТ 7’2013

СИСТЕМЫ РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ Корнюшенко С.И., КОЛЕСНЫХ МАШИН доктор наук, профессор РАЕН

ã

юбая колесная машина требует качественной и рациональной системы рулевого управления. Современные рулевые механизмы во многом похожи друг на друга. На рис. 1 показана принципиальная структурная гидросхема мобильной машины, содержащая три основных контура – гидростатическую трансмиссию хода, гидропривод рабочих органов, тормозную и рулевую гидросистемы. Как правило, рулевую и тормозную системы питает один насос. В зависимости от команды оператора и воздействия на машину внешних сил сопротивления приоритетный клапан автоматически делит и направляет потоки рабочей жидкости в соответствующие упомянутые гидравлические контуры. Типовая система рулевого управления (рис. 2) содержит героторный (планетарный) насос-дозатор, который механически соединен с рулевым колесом, блок клапанов (антишоковых и антикавитационных), а также и исполнительные гидроцилиндры. Поток рабочей жидкости от питающего насоса поступает в рулевую систему через приоритетный клапан.

STEERING SYSTEMS OF WHEELED MACHINES Kornyushenko S.I., Dr. of science, RANS professor

In the article are described performance principles of a typical steering system for a wheeled hydraulic machine. A structural diagram of the hydrostatic steering is shown, main hydraulic components are cited. An action principle of the priority valve is exposed. A performance analysis of the steering system under various exploitation conditions of the machine is carried out, including a situation when external resistance load is applied to wheels.

На рис. 3 приведены фотографии типовых конструкций главных гидрокомпонентов рулевого управления – приоритетного клапана (а), блока клапанов (б) и насоса-дозатора (в). Принципиальная схема на рис. 4 показывает типовую нереактивную рулевую систему с открытым центром. Здесь сила реакции (со стороны грунта) при повороте колес не передается на рулевое колесо машины.

>>> Рис. 1. Структурная гидросхема машины с выделенным контуром рулевого управления


а) приоритетный клапан

б) блок клапанов

НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА

87

в) насос-дозатор

<<< Рис. 3. Типовые конструкции компонентов рулевого управления

ТЕХНОЛОГИИ >>> Рис. 6. Схема воздействия внешних сил на колёса машины

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

При воздействии на колеса внешней силы F в рабочем контуре исполнительных гидроцилиндров растет давление. Как только это давление превысит значения настройки антишоковых клапанов, они откроются и пропустят часть рабочей жидкости из нагруженных полостей гидроцилиндров в сливную гидролинию. Поршни гидроцилиндров переместятся на небольшую величину, и в противоположных полостях возникнет разряжение рабочей жидкости, которое приводит к негативным явлениям кавитации. Однако

ИНТЕРВЬЮ

определенный угол, пропорциональный величине фиксированного расхода. Угол поворота колес машины строго пропорционален углу поворота рулевого колеса. Если при движении колеса машины подвергаются воздействию внешней силы F, как показано на рис. 6, вступает в работу система защиты от перегрузок. Как видно из схемы, насос-дозатор находится в нейтральном положении и рабочие каналы, ведущие в исполнительные гидроцилиндры, закрыты.

ОБУЧЕНИЕ

>>> Рис. 5. Схема управления поворотом машины

>>> Рис. 4. Схема рулевого управления

СТТ 7’2013

ИСТОРИЯ

Поток от насоса с постоянным рабочим объемом свободно проходит через насос-дозатор и возвращается в гидробак, когда рулевое колесо находится в нейтральной позиции. Поворот рулевого колеса открывает вращающийся золотник внутри насосадозатора, и гидравлическая жидкость от питающего насоса с постоянным рабочим объемом поступает в полости исполнительных гидроцилиндров (рис. 5). Колеса машины поворачиваются. Из противоположных полостей гидроцилиндров рабочая жидкость, проходя через насос-дозатор, направляется на слив в гидробак. При повороте рулевого колеса насосдозатор обеспечивает поступление определенного (фиксированной порции) расхода рабочей жидкости в гидроцилиндры рулевой системы. Величина этого расхода зависит от значения угла поворота внутренней пары золотник-втулка (т.е. рулевого колеса) и рабочего объема насоса-дозатора. Исполнительные гидроцилиндры поворачивают колеса машины также строго на

ТЕХНИКА

>>> Рис. 2. Схема рулевого управления


НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА ТЕХНИКА ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКТУЮЩИЕ ИНТЕРВЬЮ ОБУЧЕНИЕ ИСТОРИЯ

88

>>> Рис. 7. Схема приоритетного клапана в этот момент автоматически открываются антикавитационные (подпиточные) клапаны и компенсируют недостаток рабочей жидкости, направляя ее из сливной линии в соответствующие полости гидроцилиндров. Чтобы улучшить общую работу рулевого управления, вводится гидросистема, нечувствительная к внешним нагрузкам. Это LS (Loadsensing) система. По сравнению с общепринятыми (традиционными) гидросхемами LS система постоянно сравнивает изменение расхода и давления при работе машины и обеспечивает минимальные потери энергии. LS система и планетарный насос-дозатор используются в соединении с приоритетным регулятором потока. На рис. 7 показана принципиальная схема приоритетного клапана. Он выполняет функцию делителя и регулятора потока от питающего насоса в рулевой и тормозной контуры гидросистемы. Здесь р – входной канал приоритетного клапана, к которому подводится рабочий поток от питающего насоса; канал РС питает рабочей жидкостью рулевую систему машины, канал ТС – линия вторичного контура тормозной системы; рр – линия управления (пилотное давление). Жесткость пружины, прижимающей золотник приоритетного клапана, соответствует давлению управления рр = 0,4; 0,7 или 1,0 МПа. Рассмотрим работу приоритетного клапана в гидросистеме. На рис. 8 представлена схема рулевого контура в исходном положении. Питающий насос не работает, рабочее давление р и управляющее рр равны нулю, линия LS соединена со сливом, рабочие каналы А и В рулевых гидроцилиндров заперты. В этом случае золотник приоритетного клапана под действием пружины находится в верхнем положении и своими каналами соединяет линию от питающего насоса с насосом-дозатором рулевой системы. Тормозной контур отключен от питающего насоса. Когда машина движется прямолинейно, рулевое колесо и, соответственно, насосдозатор находятся в нейтральном положении (рис. 9). Линия нагнетания р заблокирована, канал LS соединен со СТТ 7’2013

>>> Рис. 8. Схема рулевого контура в исходном положении >>> Рис. 9. Схема рулевого контура при прямолинейном движении машины

сливом. При работающем насосе золотник под действием управляющего давления рр опускается вниз, преодолевая сопротивление пружины. Поток рабочей жидкости направляется в линию ТС к тормозному контуру. Однако линия нагнетания р через дроссель в золотнике приоритетного клапана соединена с питающим насосом, т.е. в линии РС рабочая жидкость находится под давлением. Это необходимо для формирования управляющего сигнала рр и приведения рулевой системы в работу с минимальным запаздыванием по времени. При повороте рулевого колеса насосдозатор открывает путь рабочей жидкости от питающего насоса в соответствующие полости А гидроцилиндров (рис. 10). Их противоположные полости В соединяются со сливом. Давление р в линии РС падает, уровень управляющего сигнала рр становится

меньше, и золотник приоритетного клапана под действием пружины начинает подниматься. Одновременно часть рабочего потока поступает в канал LS и через дроссель управления подводится в подпружиненную торцевую полость золотника приоритетного клапана. Эти процессы вызывают устойчивое перемещение золотника в условиях модуляции (высокочастотных колебаний давления), сбалансированного давлением управления рр от РС линии с одной стороны и с противоположной – давлением в полостях рулевых цилиндров и силой пружины. В результате перепад давлений через насос-дозатор равен значению настройки пружины приоритетного золотника. Поэтому Δр = рр – LS = р1 – р2. На данной ступени приоритетный клапан становится регулятором давления для насоса-дозатора, формируя управле-


НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА ТЕХНИКА ИНТЕРВЬЮ

>>> Рис. 11. Схема соединения каналов при повороте рулевого колеса

ТЕХНОЛОГИИ

>>> Рис. 10. Схема рулевого контура при повороте рулевого колеса

ного клапана находится в рабочей позиции, строго дозируя необходимый расход, который требует рулевая система. Остаток рабочей жидкости направляется в контур тормозной системы. Если давление р2 в рабочих полостях гидроцилиндров растет, а в LS канале оно достигает 15,0 МПа, предохранительный клапан в этом контуре откроется. Но с ростом давления р2 увеличивается также давление р1 и, соответственно, давление управления рр. Оно начинает сильнее сжимать пружину и опускать золотник приоритетного клапана вниз. Это действие заставляет увеличить расход рабочей жидкости в тормозной контур. На практике это означает следующее. Если машина испытывает большое сопротивление при повороте колес или они достигли своего крайнего углового положения, то при нажатии оператора на педаль эффективно сработает система торможения. Здесь мы рассмотрели наиболее принципиальные вопросы работы рулевых систем гидрофицированных колесных машин, к которым относятся грейдеры, фронтальные погрузчики, лесозаготовительная, сельскохозяйственная и другая спецтехника. Развитие гидравлической техники позволило создать совершенные системы управления, которые выпускаются известными компаниями. Особенности конструкции таких систем описаны в литературе производителей.

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

89

ОБУЧЕНИЕ

полнительные гидроцилиндры, чтобы повернуть колеса на заданную величину. Обычно диапазон угла поворота вращающегося золотника насоса-дозатора составляет от 0 до 15°. Схема на рис. 11 иллюстрирует это действие. При повороте рулевого колеса давление р1 и р2 растет в результате увеличения нагрузки в рабочих полостях исполнительных гидроцилиндров. Однако разница давлений благодаря LS каналу с дросселем управления не зависит от ее величины. Золотник приоритетСТТ 7’2013

ИСТОРИЯ

ние потоком с помощью РЕГУЛИРОВАНИЯ давления. Это гарантирует постоянное значение расхода, поступающего в гидроцилиндры поворота колес, независимо от изменения действующих на них внешних сил. Поворот рулевого колеса немедленно изменяет соединения каналов внутри вращающейся золотниковой пары насоса-дозатора. Увеличение угла его поворота повышает рабочий объем насосадозатора и гарантирует поступление требуемого объема рабочей жидкости в ис-


Telescopic handlers 7